Оптическое излучение (или свет в широком смысле слова) – это электромагнитные волны, длины которых находятся в диапазоне от 10 -11 до 10 -2 м (от единиц до десятых долей мм) или диапазон частот которых примерно равен 3*10 11 …3*10 17 Гц.

Как и для любого другого излучения, имеется источник оптического излучения и приёмник оптического излучения . Приёмником оптического излучения, может быть, например, человеческий глаз. Человеческий глаз способен воспринимать оптическое излучение с длиной волны от 400 до 760 нм. Это видимое излучение . Кроме видимого излучения, к оптическому излучению также относятся инфракрасное излучение (с длиной волны от 0,75 до 2000 мкм) и ультрафиолетовое излучение (с длиной волны от 10 до 400 нм). Световые волны изучают с помощью оптических методов, которые исторически сложились при анализе законов видимого света.

В 17-м веке были высказаны первые научные гипотезы о природе света. Свет обладает энергией и переносит её в пространстве. Переносить энергию могут либо тела, либо волны, поэтому о природе света вдвинуты две теории.

Корпускулярная теория света (от латинского corpusculum – частица) была предложена в 1672 году английским учёным Исааком Ньютоном (1643 – 1727). Согласно этой теории, свет – это поток частиц, которые во все стороны испускает источник света . С помощью этой теории объяснялись такие оптические явления, как, например, различные цвета излучения.

Голландским учёным Христианом Гюйгенсом (1629 – 1695) также в 17-м веке была создана волновая теория света , согласно которой свет имеет волновую природу. С помощью этой теории хорошо объясняются такие явления, как интерференция , дифракция света и т.д.

Обе эти теории длительное время существовали параллельно, так как ни одна из них в отдельности не могла полностью объяснить все оптические явления. К началу 19-го века после исследований французского физика Огюстена Жана Френеля (1788 – 1827), английского физика Роберта Гука (1635 – 1703) и других учёных выяснилось, что волновая теория света имеет преимущество перед корпускулярной. В 1801 году английский физик Томас Юнг (1773 – 1829) сформулировал принцип интерференции (усиление или ослабление освещённости при наложении световых волн друг на друга), что позволило ему объяснить цвета тонких плёнок. Френель объяснил, что такое дифракция света (огибание светом препятствий) и прямолинейность распространения света.

И всё же волновая теория света имела один существенный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны, которые могут возникать только в упругой среде. Поэтому была создана гипотеза о невидимом мировом эфире, который представляет собой гипотетическую среду, заполняющую всю Вселенную (всё пространство между телами и молекулами). Мировой эфир должен был обладать целым рядом противоречивых свойств: должен обладать упругими свойствами твёрдых тел и быть одновременно невесомым. Эти трудности были разрешены во 2-й половине 19-го века при последовательном развитии учения английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 – 1879) об электромагнитном поле. Максвелл пришёл к вводу, что свет есть частный случай электромагнитных волн.

Однако в начале 20-го века были обнаружены прерывистые, или квантовые свойства света . Этим свойствам давала объяснение корпускулярная теория. Таким образом, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью свойств). В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (то есть ведёт себя как волна), а при излучении и поглощении – корпускулярные свойства (то есть ведёт себя как поток частиц).

Законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световом луче рассматриваются в разделе оптики, который называется . Подразумевается, сто световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых электромагнитных волн.

Закон прямолинейного распространения света

На практике свет распространяется прямолинейно внутри ограниченного конуса, который представляет собой световой пучок. Диаметр этого светового пучка превосходит длину световой волны.

Если показатель преломления среды везде одинаков, то такая среда называется оптически однородная среда .

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. В этом состоит закон прямолинейного распространения света .

Прямолинейность распространения света подтверждается многими явлениями, например, появлением тени от непрозрачных тел. Если S – очень маленький по размеру источник света, а М – непрозрачное тело, преграждающее путь падающему на него свету S, то за телом М образуется конус тени. Свет, идущий от источника, задерживается телом М, и на экране, который помещён под прямым углом к оси конуса, получается хорошо очерченная тень тела М (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Прямолинейность распространения света.

Источники света больших размеров (по сравнению с расстоянием от источников света до препятствия) образуют полутень. Образование полутени можно рассмотреть с помощью двух источников малых размеров, которые находятся друг от друга на расстоянии, равном размеру большого источника света. На рис. 1.2 показано сечение конусов тени, которые образуются светом за телом М. Полная тень образуется позади непрозрачного тела М в той области, куда не попадает свет ни от одного источника света.

Полутень (частично освещённое пространство) образуется в области, где проходят лучи только от одного из источников света. Например, в области, где проходят лучи только источника S1, а другой источник света S2 заслонён телом М. Если источник света большой, то каждая его точка может рассматриваться как точечный источник света. В этом случае будет происходить сложение излучения от отдельных частей излучающей поверхности. Также образуются области тени и полутени.

Рис. 1.2. Полутень, образованная большим источником света.

Образование тени при падении лучей от источника света на непрозрачный предмет объясняет такие явления, как солнечные и лунные затмения.

Такое свойство, как прямолинейность распространения света , используется при определении расстояний на земле, на море и в воздухе, а также в производстве при контроле по лучу зрения прямолинейности изделий и инструментов.

Прямолинейность распространения света объясняет возможность получения изображений с помощью малого отверстия. Простейшее устройство, позволяющее наблюдать перевёрнутое изображение предметов, называется камера-обскура и представляет собой ящик с небольшим отверстием в передней стенке. Луч света, который распространяется прямолинейно, попадает на заднюю стенку камеры-обскура, где появляется световое пятно с соответствующей интенсивностью. Совокупность световых пятен от всех точек предмета и создаёт изображение этого предмета на задней стенке камеры-обскура.

1 Отпика 7

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны 7

1.2. Отражение и преломление плоской волны на гранях двух диэлектриков 10

1.3. Полное внутренне отражение 11

1.4. Соотношение между амплитудой и фазой 11

2 Интерференция 14

2.1 Явление интерференции. Сложение колебаний 14

2.2 Ширина интерференционных полос 15

2.3 Способы наблюдения интенсивности делением волнового фронта волны 17

2.4 Способы получения когерентных пучков делением амплитуды 17

2.5 Применение интерференции 20

3 Дифракция 23

3.1 Принцип Гюйгенса-Френеля 23

3.2 Прямолинейность распространения света. Зоны Френеля 25

3.3 Дифракция от среднего отверстия 27

3.4. Дифракционная решетка 29

4 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 29

4.1 Дисперсия света 29

4.2 Электронная теория дисперсии света 31

4.3 Поглощение (абсорбция света) 32

4.4 Рассеяние света 33

5 Квантовые свойства света 35

5.1 Виды фотоэлектрического эффекта 35

5.2 Законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова) 37

5.3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта 38

5.4 Применение фотоэффекта 39

Заключение 40

Список использованных источников 41

1 Отпика

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следствие четырех основных закона оптических явлений:

Закон прямолинейного рассеивания света.

Закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике).

Закон отражения.

Закон преломления света на границах двух сред.

Первый: Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Второй: Эффект, производимым отдельным пучком, от того действует ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол падения равен углуотражения.

Четвертый: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла преломления есть величина постоянна для данных сред:

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Абсолютным показателем преломления среды называют величину , равную отношению скорости с электромагнитными волнами в вакууме к их фазовой скоростив среде

(1.1)

Основные законы были установлены давно, но точка зрения на них менялась на протяжении многих веков.

Так Ньютон придерживал теории истечения световых частиц, которые подчиняются законам механики. Гюйгенс выступал с другой (корпускулярной теорией света) теорией света. Он полагал, что световые возбуждения следует рассматривать как упругие импульсы, распространяется в особой среде – эфир (волновая теория света).

В течении XVIII века корпускулярная теория занимала господствующее положение, хотя борьба обоих теорий не прекращалась.

Затем труды Юнга и Френеля в XIX веке внесли большой вклад и дополнение в волновую оптику. Максвелл на основе своих теоретических исследованиях сформулировал заключение, что свет – это электромагнитная волна. Скорость электромагнитной волны в среде

(1.2)

где - скорость света в вакууме,- скорость в среде, имеющую диэлектрическую проницаемостьи магнитную проницаемость.

Так как
, то

(1.3)

(1.3) дает связь между оптическими, электрическими и магнитными константами вещества. Длина волны оптического диапазона . Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной носит название интенсивность света.

,
.

,
.

Линии, вдоль которого распространяется световая энергия, называется лучами.
направлен по касательной к лучу. В изотропной среде
. Следствием теории Максвелла является поперчнность световых волн: векторы напряженностей электрическогои магнитныхполей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скоростираспространяющегося луча, т.е. перпендикулярно лучу.

Обычно в оптике все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора интенсивности электрического поля. Так как при действии света на вещество, основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают свет волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом характеризуется всевозможным равновероятным колебаниями светового вектора (см. рис. луч перпендикулярный плоскости рисунка).

Свет, со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Если есть упорядоченность, то свет называется поляризованным. Если колебание происходят только в одной, проходящей через луч плоскости, свет называется плоско (линейно) поляризованным.

Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света – т.е. конец вектора во времени описывает эллипс.

; где - эллиптичность.

Тема:

• Развитие взглядов на природу света. Скорость света.

• (Физика.11 класс)

• Выполнила: учитель физики

• МОУ «СОШ №6»

• г. Кирова Калужской области

• Кочергина В.Э.

• 2010 год

В конце XVII века почти одновременно возникли две, казалось бы взаимоисключающие теории света.

• Они опирались на два возможных способа передачи действия от источника к приёмнику.

• И.Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

• Х.Гюйгенс разработал волновую теорию, в которой свет рассматривался как волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел (изменение состояния среды).

Ньютон Гюйгенс

Что же такое свет?

• Согласно представлениям современной физики, свет обладает одновременно свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных частиц, которые называют фотонами или квантами света.

• Двойственность свойств света называется корпускулярно – волновым дуализмом.

Два великих противостояния в науке. Этапы развития представлений о природе света.

Это была первая известная попытка экспериментального определения скорости света, предпринятая Галилео Галилеем. Однако обнаружить запаздывание сигнала не удалось из-за большой скорости света.

• Первое экспериментальное определение скорости света выполнил датский астроном Олаф Рёмер в 1675 году.

• Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света:

• с = 3*1011м / 1320с

• с=2,27*108м/с

• Полученный результат имел большую погрешность.

Первое лабораторное измерение скорости света было выполнено в 1849 г. французским физиком Арманом Физо.

• В его опыте свет от источника S проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала З, возвращался опять к зубчатому колесу.

Метод Физо:

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало - на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ℓ ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v = 12,6 об/с. Время движения света t =2 ℓ/c, поэтому дает с = 3,14 10 8 м/с

Несмотря на значительную погрешность измерений, опыт Физо имел огромное значение - возможность определения скорости света «земными» средствами была доказана.

• Американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Метод Майкельсона:

В соответствии с прямыми методами измерений скорость света в вакууме теперь принимают равной

• с =299792458+1,2 м/c

Конечность скорости света доказывается экспериментально прямым и косвенным методами.

• В настоящее время с помощью лазерной техники скорость света определяется по измерениям длины волны и частоты радиоизлучения независимыми друг от друга способами и вычисляется по формуле:

«Сколько у света скоростей?»

• Пока указаний на изменение с с течением времени нет, но физика не может безоговорочно отбросить такую возможность. Что ж, остается ждать

• сообщений о новых измерениях скорости света. Эти измерения могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии.

ТЕМА: Развитие взглядов на природу света. Скорость света. ГР. 161 Выполнили: Лопухов Евгений Гвоздицких Иван Кондратьев Дмитрий

В КОНЦЕ XVII ВЕКА ПОЧТИ ОДНОВРЕМЕННО ВОЗНИКЛИ ДВЕ, КАЗАЛОСЬ БЫ ВЗАИМОИСКЛЮЧАЮЩИЕ ТЕОРИИ СВЕТА. Они опирались на два возможных способа передачи действия от источника к приёмнику. И. Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Х. Гюйгенс разработал волновую теорию, в которой свет рассматривался как волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел (изменение состояния среды).

НЬЮТОН ГЮЙГЕНС 1. Трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве не действуют друг на друга (частицы должны сталкиваться и рассеиваться). 1. Волны свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. 2. Прямолинейное распространение света является следствием закона инерции. 2. Не объясняет. 3. Легко объяснить дифракцию и интерференцию. 4. При излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. 4. Свет есть частный случай электромагнитных волн

ЧТО ЖЕ ТАКОЕ СВЕТ? Согласно представлениям современной физики, свет обладает одновременно свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных частиц, которые называют фотонами или квантами света. Двойственность свойств света называется корпускулярно – волновым дуализмом.

С ПОМОЩЬЮ КАКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРИЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА? На рисунке показана схема опыта, с помощью которого Галилей предлагал измерить скорость света. Открывая заслонку фонаря, нужно было определить, через сколько времени вернется свет, отразившись от зеркала.

ЭТО БЫЛА ПЕРВАЯ ИЗВЕСТНАЯ ПОПЫТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА, ПРЕДПРИНЯТАЯ ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЕМ. ОДНАКО ОБНАРУЖИТЬ ЗАПАЗДЫВАНИЕ СИГНАЛА НЕ УДАЛОСЬ ИЗ-ЗА БОЛЬШОЙ СКОРОСТИ СВЕТА. Первое экспериментальное определение скорости света выполнил датский астроном Олаф Рёмер в 1675 году.

Орбита спутника Ио Ио совершает один оборот вокруг Юпитера за 42, 5 ч. При удалении Земли от Юпитера каждое следующее затмение Ио наступает позднее ожидаемого момента. Суммарное запаздывание начала затмения при удалении Земли от Юпитера на диаметр земной орбиты позднее ожидаемого момента времени составляло 22 мин. Земля З Орбита Земли I С S 2 II Опыт Рёмера Орбита Юпитера S 1

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света: с = 3*1011 м / 1320 с с=2, 27*10 8 м/с Полученный результат имел большую погрешность.

ПЕРВОЕ ЛАБОРАТОРНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА БЫЛО ВЫПОЛНЕНО В 1849 Г. ФРАНЦУЗСКИМ ФИЗИКОМ АРМАНОМ ФИЗО. В его опыте свет от источника S проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала З, возвращался опять к зубчатому колесу.

ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ ФИЗО ТАКОВЫ. ИСТОЧНИК СВЕТА И ЗЕРКАЛО РАСПОЛАГАЛИСЬ В ДОМЕ ОТЦА ФИЗО БЛИЗ ПАРИЖА, А ЗЕРКАЛО - НА МОНМАРТРЕ. РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ЗЕРКАЛАМИ СОСТАВЛЯЛО ℓ ~ 8, 66 КМ, КОЛЕСО ИМЕЛО 720 ЗУБЦОВ. ОНО ВРАЩАЛОСЬ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЧАСОВОГО МЕХАНИЗМА, ПРИВОДИМОГО В ДВИЖЕНИЕ ОПУСКАЮЩИМСЯ ГРУЗОМ. ИСПОЛЬЗУЯ СЧЕТЧИК ОБОРОТОВ И ХРОНОМЕТР, ФИЗО ОБНАРУЖИЛ, ЧТО ПЕРВОЕ ЗАТЕМНЕНИЕ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕСА V = 12, 6 ОБ/С. ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ СВЕТА T=2ℓ/C, ПОЭТОМУ ДАЕТ С = 3, 14 10 8 М/С

с = 3, 14 10 8 м/с Величина, больше полученной из астрономических наблюдений, но близкая к ней. НЕСМОТРЯ НА ЗНАЧИТЕЛЬНУЮ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ, ОПЫТ ФИЗО ИМЕЛ ОГРОМНОЕ ЗНАЧЕНИЕ - ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА «ЗЕМНЫМИ» СРЕДСТВАМИ БЫЛА ДОКАЗАНА.

КОНЕЧНОСТЬ СКОРОСТИ СВЕТА ДОКАЗЫВАЕТСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ПРЯМЫМ И КОСВЕННЫМ МЕТОДАМИ. В настоящее время с помощью лазерной техники скорость света определяется по измерениям длины волны и частоты радиоизлучения независимыми друг от друга способами и вычисляется по формуле: c = λv Вычисления дают с=299792456, 2 ± 1, 1 м/с

«СКОЛЬКО У СВЕТА СКОРОСТЕЙ? » с Пока указаний на изменение с течением времени нет, но физика не может безоговорочно отбросить такую возможность. Что ж, остается ждать сообщений о новых измерениях скорости света. Эти измерения могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии.

ВЫВОДЫ: 1. Природа света обладает корпускулярноволновым дуализмом (двойственностью). 2. Следует признать научным фактом, установленным экспериментально – конечность и абсолютность (инвариантность) скорости света в вакууме. 3. Подтверждением любой физической теории являются экспериментальные факты.

Цель урока: формировать представление учащихся о природе света; корпускулярная или волновая; как определили, а потом измерили скорость света.

Ход урока

1. Анализ контрольной работы.

2. Изучение нового материала

Корпускулярная теория Ньютона. Волновая теория Гюйгенса.

1.Свет распространяется в виде потока 1.Свет распространяется в эфире

Частиц (корпускул) – 17 век. как поток волн – 17 век.

Доказательства: прямолинейное Доказательства: независимость

Распространение света, образование пучков света при пересечении.

Тени. В 1802 году Юнг получил дифракцию света,

В 19 веке открытие фотоэффекта а в 1803 году_- интерференцию света,

Доказало, что свет – это поток частиц. доказав, что свет – это волны.

Эти частицы назвали квантами. Максвелл доказал, что свет – это

Электромагнитные волны.

Современные представления о природе света: свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом – излучается и поглощается порциями, а распространяется в виде волн.

Скорость света.

1. Астрономический метод измерения скорости света.

Датский астроном О. Рёмер, наблюдая затмения спутника Ио, ближайшего к планете Юпитер, заметил, опоздание его появления из тени планеты. По этому опозданию на 22 мин он сумел вычислить скорость света.

Вычисления Ремера были приблизительными, но главное, он доказал, что свет не распространяется мгновенно, а имеет конечную скорость.

2. Лабораторные методы измерения скорости света.

В 1849 году И. Физо (франц.) сумел измерить скорость света лабораторным методом.

Свет от источника попадает на полупрозрачную пластинку, а от нее на быстровращающееся зубчатое колесо. Пройдя в прорезь, между зубцами свет попадал на зеркало, находящееся на расстоянии 8,6 км. Отразившись от зеркала, свет опять попадал в прорезь между зубцами.

Зная, время перемещения зубца, оно равнялось прохождению света до зеркала и обратно, Физо вычислил скорость света. Она по его расчетам равнялась 313000 км/с.

Было разработано много других более точных лабораторных способов для измерения скорости света. Это установка французского физика Фуко, американского ученого Майкельсона и установки других ученых.

По современным измерениям, скорость света в вакууме составляет 299792458 м/с QUOTE .

Скорость света в каких – либо средах меньше, чем в вакууме. Например, в воде она составляет 3/ 4 от скорости в вакууме.

Измерение скорости света имело большое значение для развития и изучения оптических явлений. Оказалось, что ни какое тело или частица не может двигаться быстрее света.

Закрепление изученного материала

1.Какие две теории о природе света появились в 17 веке?